[차세대 반도체] 문과도 이해할 수 있는 CXL 정의, CXL이란?

 

 
 
 

문과도 이해할 수 있는 CXL의 모든 것 (느낌이블로그)

 
 
 
안녕하세요 느낌이입니다.
 
요즘 반도체 테스트 업체부터 부품 업체들까지 '컴퓨트 익스프레스 링크(CXL)' 기술이 부각되면서 주가가 초강세를 보이고 있는 기업들이 많은데요.
 
최근 삼성전자가 CXL 관련 상표를 출원했다는 소식이 시장에 퍼지면서 관련 수혜주들의 기대감이 반영된 것으로 생각됩니다.
 
아니, 얼마전까지만 해도 앞으로의 메모리 반도체 대세는 'HBM'이라고 떠들었던 것 같은데 갑자기 'CXL'은 또 무엇이길래 이렇게 정신없을까요?
 
함께 알아보시죠.
 
 
 

CXL의 기초와 등장 배경

 
1) 최근 인공 지능, 머신 러닝 등의 AI 기술 발전으로 처리해야 할 데이터양이 폭증하고 있는 상황이며, CPU는 더 빠른 데이터 처리를 위해 단일 칩에 점점 더 많은 코어를 통합하고 있음.
 
2) 현재 AI 관련 고성능 CPU에는 100개가 넘는 코어가 존재하며, 당연히 코어 수가 증가할수록 각 코어를 담당할 충분한 메모리가 필요함.
 
3) 현재 이와 같은 상황으로 인하여 고속 인터페이스를 사용하면서 용량 확장이 용이한 메모리 제품에 대한 수요가 급증하고 있는데 최근 주목받고 있는 HBM도 같은 이유임.
 
4) 그러나 기존의 DRAM은 한정된 범위 내에서만 용량을 확장할 수 있기 때문에 AI 서비스에 필요한 성능을 충족시키기에는 한계가 있으며, 실제로 메모리와 CPU 간 격차가 커지면서 데이터 병목 현상들이 발생하고 있음.
 

 
5) 결국 가까운 미래에는 이러한 한계점을 극복해야 할 필요성이 더욱 커질 것이며, 완전히 새로운 인터페이스 도입이 필요할 것으로 예상됨.
 
6) 현재 가장 유력한 후보인 CXL은 컴퓨트 익스프레스 링크(Compute Express Link)의 약자이며, 익스프레스 링크라는 말 뜻 그대로 CPU와 메모리 반도체를 직접 연결해주는 인터페이스임.
 

* 인터페이스(interface)란?  서로 다른 두 시스템, 장치, 소프트웨어 따위를 서로 이어 주는 부분. 또는 그런 접속 장치를 말함.

 

 
7) CPU와 메모리 둘을 직접 연결하면 데이터 전송 대역폭과 지연 시간을 줄일 수 있으며, CPU와 함께 사용되는 가속기, 메모리, 저장장치 등을 보다 효율적으로 활용할 수 있게됨.

8) 예를들어 기존의 CPU는 지원하는 메모리 인터페이스에 따라 DDR4, DDR5 등 특정한 규격에 맞는 반도체만 사용할 수 있지만, CXL 기술을 접목하면 종류나 용량, 성능 관계없이 어떤 메모리도 탑재할 수 있게됨.
 
9) 다시말해 CPU에서 CXL 전송 방식을 지원한다면 어떠한 종류의 메모리도 CXL 메모리에 탑재해 활용이 가능하며, 시스템의 메모리 용량을 기존에 비해 5~10배 까지 늘릴 수 있게됨.
 

 
10) 이는 결과적으로 메모리 설계 구조, 메모리 종류, 컨트롤러 사양 적용에 대한 완전한 자유도가 생기는 것이며, 메모리와 컨트롤러 차별화를 통해 새로운 가치 창출이 가능해짐.
 
11) 그러나 CXL은 인터페이스 표준 중 하나이므로, 앞서 말한대로 인텔 같은 로직 반도체 기업에서 CXL이 탑재 가능한 CPU를 출시해야 납품이 가능함.
 
12) 결론적으로 현재 CXL이 주목받는 가장 큰 이유는 여러 시스템의 구성요소를 모아 풀을 구성할 수 있기 때문이며, 현재까지는 일대일 통신 표준이지만 향후 일대다 통신을 지원할 예정임.

13) CXL의 현재 버전은 1.1 이지만 2.0 및 3.0 버전의 사양은 이미 발표된 상태이며, CXL은 PCIe를 기반으로 하기 때문에 새 버전의 CXL은 PCIe를 따라 변화할 것임.
 
* PCI Express® 및 그 약어인 PCIe는 PCI-SIG 사의 상표로서 메인보드에 그래픽카드, 사운드카드, TV 카드 등 각종 확장카드를 사용하기 위해 만들어진 규격임
 
14) 또한 CXL은 PCIe의 새 버전과 약 2년 정도의 격차를 두고 있지만, 새로운 사양과 실제 제품 출시까지는 이보다 더 긴 시차가 생길 수도 있음.

 

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초읽기에 들어간 CXL 모듈 상용화

 
1) 삼성전자 내부에서는 CXL을 CMM으로 통칭해 부르고 있는데, CXL Memory Module의 약자인 CMM은 국제 반도체 표준화 기구의 CXL 기반 메모리 규격임.
 
2) 2021년 삼성전자는 반도체 업계 최초로 CXL 기반 D램인 CMM-D를 개발했으며, CMM-D는 기존의 데이터센터나 서버에서 외장형 저장 장치인 SSD를 장착하던 그 자리 그대로 사용이 가능함.
 

 
3) CMM-D는 시스템 내 DRAM 용량을 TB급까지 확장시킬 수 있으며, 다양한 대역폭에 대응할 수 있고 고속 데이터 처리가 가능한데 이는 앞서 말한대로 CXL이 PCIe를 기반으로 하는 인터페이스이기 때문임. 
 
4) PCIe는 컴퓨터 내 하드웨어와 디바이스 간에 데이터를 전송하기 위한 연결 표준으로, 여러 개의 데이터 비트를 한 번에 전송하는 병렬 통신 대신 한 번에 하나의 비트씩 데이터를 순차적으로 전송하는 직렬 통신을 사용함.
 
5) 따라서 직렬 통신을 사용한다면 새로운 장치를 추가할 때 선 하나의 연결만 필요하기 때문에 상대적으로 시스템을 확장하거나 변경하기에도 용이함.
 
6) 결론적으로 CMM-D는 이러한 특성을 통해 메모리 관리의 유연성을 제공할 수 있으며, 서버를 교체하거나 서버 구조를 변경하지 않고 용량도 확장할 수 있음.
 
7) CXL 2.0의 특성 구현을 위해 여러 기술이 적용되었는데, 용량 확장의 직접적인 토대가 된 기술은 메모리 풀링과 스위칭 기술이며, 특히 CXL 2.0 부터 메모리 풀링 기능을 최초로 지원함.
 
8) 메모리 풀링 기술은 서버 플랫폼에서 여러 개의 CXL 메모리를 묶어 풀을 만들고 여러 호스트가 풀을 공유하며 필요에 따라 메모리를 효과적으로 할당하고 해제하는 기술임.
 
9) 이를 통해 프로그램이나 작업에 필요한 메모리양에 따라 리소스를 효율적으로 관리할 수 있으며, 메모리의 전 용량을 유휴 영역 없이 사용할 수 있게됨.
 

 
10) 더불어 스위칭 기능을 통해 프로세서, 가속기, 스토리지 등의 다양한 디바이스 간에 데이터를 효율적으로 전송하고 공유함으로써 메모리 리소스를 확장할 수 있음.
 
11) 또한 CXL 2.0은 메모리 풀링과 스위칭 기능 외에도 전원이 켜진 상태에서 장치를 연결하거나 분리할 수 있는 핫플러그 기능을 지원함.
 
12) 삼성전자는 지난해 CXL 2.0을 지원하는 128GB DRAM을 개발한 데에 이어 최근 4개 상표를 동시에 출원하며 CXL 신시장 개척에 불을 지폈음.
 
13) SK하이닉스도 마찬가지로 CXL 메모리에 연산 기능을 통합한 차세대 메모리 솔루션인 CMS(Computational Memory Solution) 2.0 등 CXL 핵심 솔루션 3종을 발표함.
 

 
14) 하나의 서버에 단순히 고대역폭, 고용량 메모리를 탑재하는 방식으로는 AI 시대에 대응할 수 없다는 것을 두 기업의 신제품들이 반증하고있으며, 미래의 AI 시스템은 HBM으로도 충족할 수 없는 대용량 메모리를 요구할 수도 있음.
 
15) 따라서 확장 솔루션으로 메모리 용량을 늘리고 풀드 솔루션으로 메모리를 공유하면서 AI 연산까지 가능한 CXL은 가까운 미래에 주목받을 수밖에 없으며, 현재 CXL 메모리 중심 컴퓨팅의 서막이 열렸다고 봐도 무방함.
 
 
 

메모리 반도체 업체들이 CXL을 주목하는 이유

 
1) 앞서 계속 언급한대로 CXL 기술을 통해 이뤄낼 수 있는 최종 목표는 다수의 서버, 사용자가 메모리를 공동으로 사용하고 공유하는 메모리 풀 시스템임.
 
2) 빅데이터를 다룰 수 있는 거대한 메모리 풀의 시대가 온다면 반도체 시장은 또 다른 차원으로 거대 도약을 할 수 있을 것이며, CXL 기술의 등장으로 내 이웃의 남은 리소스까지 활용할 수 있는 시대가 열릴 것임.

3) 하나의 거대한 공유 메모리 풀을 다수의 서버, 사용자가 사용하는 이 개념은 앞서 세계적인 데이터센터 기업들이 이론적 수준에서만 제시했던 개념이었음.
 
4) 이러한 개념을 메모리 중심 컴퓨팅(Memory-Driven Computing)이라고 부르며, 메모리 중심 컴퓨팅은 CXL과 같은 다수의 메모리 저장장치를 수백, 수천개 연결해 거대한 공유 메모리를 구성하는 컴퓨팅 아키텍처를 말함.
 
5) 공유 메모리 풀을 통해 복수의 컴퓨팅 노드가 각자 데이터를 병렬적으로 처리할 수 있어 컴퓨터의 정보 처리 속도가 비약적으로 높아질 수 있음.
 
6) 현재 메모리 반도체 미세공정 혁신의 속도가 늦춰지고 있는 상황이기 때문에 이러한 한계점에서 CXL이라는 솔루션의 등장은 의미가 큼.
 
7) 실제로 메모리 반도체인 DRAM의 경우 10㎚대 공정에 접어들면서 생산성, 성능 향상폭이 현저히 둔화된 상태이며, 생산비용도 점점 늘고 있음.
 
8) 또한 10㎚ 이하 DRAM의 경우 대당 3000억원이 넘는 EUV 장비가 필요하며, 설비투자 부담 또한 커지고 있는 상황이라 서버용, 모바일, PC용 DRAM의 고성능화도 더 어려워지는 추세임.
 

 
9) 따라서 CXL은 선단공정 CAPEX 확대를 최소화하면서 초고속 인터페이스 기술을 사용하여 기존의 DRAM과 낸드플래시 용량을 획기적으로 늘릴 수 있는 가장 효율적인 전략임.
 
10) 그러나 삼성전자와 SK하이닉스의 주력 매출 품목인 DRAM과 낸드플래시와 달리 아직 시장조차도 형성되지 않는 CXL 기술을 개발하는 것은 분명 쉽지 않은 과제임.
 
11) 그렇지만 지난해 8월 SK하이닉스는 첫 CXL 메모리 시제품을 개발해 공개했으며, 삼성전자는 CMM-D, CMM-DC, CMM-H, CMM-HC 등 CXL 인터페이스를 기반으로 한 다양한 메모리 제품군을 연이어 공개하고 있음.
 
12) 또한 최근에는 CXL 메모리에 연산 기능이 추가된 연산메모리솔루션(CMS) 제품들도 공개되며 프로세싱인메모리(PIM) 분야에 큰 변화가 감지되고 있는 상황임.
 
13) 결론적으로 CXL은 결국 데이터센터를 주도하는 IT 기업들의 비용 절감에 가장 공헌할 수 있는 방향으로 진화할 것이며, 수많은 데이터의 사용을 보다 경제적으로 만들어 주면서 소비자들 비용도 절감할 수 있는 기회가 창출할 것임.